CN111030313B - 无线电能传输系统e类逆变器zvs工作的参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，首先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，再根据Raab条件计算出E类逆变器的输入扼流电感、开关管并联电容以及原边补偿电容的电气参数，接着借助电路仿真软件对所设计的系统进行仿真实验并观察E类开关管两端的电压波形是否实现软开关开通(ZVS)；若满足软开关开通则设计流程结束，否则可先减小开关管并联电容的电容值，再增大原边补偿电容的电容值，再通过仿真软件观察E类开关管是否实现ZVS，重复上述操作直至E类开关管实现ZVS为止。本发明可以对无线电能传输系统E类逆变器的电容参数进行快速调整，从而使E类开关管工作在ZVS的工作条件下，这有利于减小开关管的开通损耗。

Description

无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输系统逆变器设计的技术领域，尤其是指一种能够实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法。
背景技术
作为新型电能传输技术，磁耦合谐振式无线电能传输技术MCR-WPT(magneticallycoupled resonant wireless power transmission)凭借其高可靠性、高安全性和高便捷性，在电动汽车、植入式设备、消费电子以及机器人等领域都有着广泛的应用前景。基于E类逆变器的MCR-WPT具有良好的高频特性，这使其能够更好地适应MHz以上的工作频率场景。除此之外，相比其他类型的逆变器，E类逆变器作为MCR-WPT系统的交流电源输入，可以有效简化逆变器的电路结构，在小型MCR-WPT系统中具有广阔的应用前景。
针对于E类逆变器的参数设计，往往只要实现ZVS就可以有效地将逆变器的开关损耗维持在一个较低的水平。目前最常见的设计方法是依据Raab经验公式，该公式提出负载支路的理想阻抗角正切值为49.052°，并给出了E类开关管并联电容和谐振补偿电容的参数设计公式。但在实际设计过程中，由于MCR-WPT往往不是工作在最佳的负载条件下，根据该经验公式设计得到的E类电路往往无法直接满足ZVS，故需要对电容参数进行一步的调整。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种能够实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，可以确保E类逆变器工作在ZVS的工况下，这有利于降低逆变电路的开关损耗。具体表现在：通过Rabb条件计算得到初步的系统元件参数值，在通过电路仿真软件对所设计的系统进行仿真验证，观察E类开关管是否满足ZVS，若不满则通过调整开关管并联电容的电容值和原边补偿电容的电容值的方式，使E类开关管工作在ZVS的工作条件下，进而实现E类开关管的低损耗运行。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，所述E类逆变器包括直流输入电压源、输入扼流电感、E类开关管、开关管并联电容、原边补偿电容、原边线圈、副边线圈、副边补偿电容和负载电阻，所述直流输入电压源的正极与输入扼流电感相连，所述E类开关管的一端与输入扼流电感相连，另一端与直流电压源的负极相连，所述开关管并联电容两端分别与E类开关管的两端连接，所述原边补偿电容的一端分别与输入扼流电感和E类开关管连接，另一端与原边线圈相连，所述原边线圈和副边线圈通过线圈间的互感形成电磁耦合，所述副边线圈的一端与副边补偿电容一端相连，其另一端与负载电阻一端相连，所述副边补偿电容的另一端与负载电阻另一端相连；所述参数设计方法包括以下步骤：
S1、先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，其计算过程如下：
设定副边线圈的自感值L2和副边补偿电容的电容值C2处于完全谐振状态，此时接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻的电阻值Req相等，则有Zeq＝Req成立；
设定线圈间的互感为M，系统的角频率为ω，其中ω＝2πfc，fc为E类开关管的工作频率，则接收侧折算到原边的负载等效阻抗Z＇eq为：
Figure BDA0002345101330000021
S2、根据Raab条件计算出E类逆变器的开关管并联电容的电容值、原边补偿电容的电容值以及输入扼流电感的最小值，其计算过程如下：
根据Raab条件求得原边补偿电容的电容值C1为：
Figure BDA0002345101330000031
其中，L1为原边线圈的自感，θ为最佳阻抗角；
根据Raab条件求得开关管并联电容的电容值C0为：
Figure BDA0002345101330000032
根据Raab条件求得输入扼流电感的自感值Ldc应满足：
Figure BDA0002345101330000033
S3、使用电路仿真软件观察系统中E类开关管两端的电压波形是否实现软开关开通ZVS，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则进行如下步骤：
S31、先减小开关管并联电容的电容值C0；
S32、再增大原边补偿电容的电容值C1；
S33、观察此时系统中E类开关管两端电压波形是否实现软开关开通，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则重复步骤S31-S33。
在步骤S1中，接收侧应采用串联谐振RLC结构，此时只要满足
Figure BDA0002345101330000034
就能够实现接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻Req相等。
在步骤S2中，当负载等效阻抗Z＇eq、原边补偿电容与原边线圈自感组成的RLC串联支路的品质因素Q为5-20时，根据Raab条件计算得到的元件电气参数能够使得E类开关管工作在ZVS的工作条件下，此时系统的开通损耗小，其中Q的计算式为：
Figure BDA0002345101330000035
在步骤S3中，若根据步骤S2设计得到的元件参数无法使E类开关管工作在ZVS的工作条件时，需先减小开关管并联电容的电容值C0，这能够加快开关管并联电容的放电速度；同时增大原边补偿电容的电容值C1，能够抑制原边补偿电容由于放电过快导致给开关管并联电容进行二次充电的问题。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
通过本发明方法可以简单明了地对无线电能传输系统E类逆变器的电容参数进行快速调整，从而使得E类开关管工作在ZVS的工作条件下，这有利于减小开关管的开通损耗。
附图说明
图1为无线电能传输系统E类逆变器的拓扑结构图。
图2为未经过参数调整前E类开关管S1两端电压的仿真波形图。
图3为减小开关管并联电容的电容值C0后E类开关管S1两端电压的仿真波形图。
图4为增大原边补偿电容的电容值C1后E类开关管S1两端电压的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的无线电能传输系统E类逆变器包括直流输入电压源Vdc、输入扼流电感Ldc、E类开关管S1、开关管并联电容C0、原边补偿电容C1、原边线圈L1、副边线圈L2、副边补偿电容C2和负载电阻RL，所述直流输入电压源Vdc的正极与输入扼流电感Ldc相连，所述E类开关管S1的一端与输入扼流电感Ldc相连，另一端与直流电压源Vdc的负极相连，所述开关管并联电容C0两端分别与E类开关管S1的两端连接，所述原边补偿电容C1的一端分别与输入扼流电感Ldc和E类开关管S1连接，另一端与原边线圈L1相连，所述原边线圈L1和副边线圈L2通过线圈间的互感形成电磁耦合，所述副边线圈L2的一端与副边补偿电容C2一端相连，其另一端与负载电阻RL一端相连，所述副边补偿电容C2的另一端与负载电阻RL另一端相连。
本实施例提供了一种能够实现上述无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，包括以下步骤：
S1、先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，其计算过程如下：
设定副边线圈的自感值L2和副边补偿电容的电容值C2处于完全谐振状态，此时接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻的电阻值Req相等，则有Zeq＝Req成立。
设定线圈间的互感为M，系统的角频率为ω，其中ω＝2πfc，fc为E类开关管S1的工作频率，则接收侧折算到原边的负载等效阻抗Z＇eq为：
Figure BDA0002345101330000051
S2、根据Raab条件计算出E类逆变器的开关管并联电容的电容值、原边补偿电容的电容值以及输入扼流电感的最小值，其计算过程如下：
根据Raab条件可求得原边补偿电容的电容值C1为：
Figure BDA0002345101330000052
其中，L1为原边线圈的自感，θ为最佳阻抗角，且θ＝49.52°。
根据Raab条件可求得开关管并联电容的电容值C0为：
Figure BDA0002345101330000053
根据Raab条件可求得输入扼流电感的自感值Ldc应满足：
Figure BDA0002345101330000061
S3、使用电路仿真软件观察系统中E类开关管两端的电压波形是否实现软开关开通ZVS，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则进行如下步骤：
S31、先减小开关管并联电容的电容值C0；
S32、再增大原边补偿电容的电容值C1；
S33、观察此时系统中E类开关管S1两端电压波形是否实现软开关开通，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则重复步骤S31-S33。
在步骤S1中，接收侧应采用串联谐振RLC结构，此时只要满足
Figure BDA0002345101330000062
就能够实现接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻Req相等。
在步骤S2中，当负载等效阻抗Z＇eq、原边补偿电容与原边线圈自感组成的RLC串联支路的品质因素Q为5-20时，根据Raab条件计算得到的元件电气参数基本可以使得E类开关管S1工作在ZVS的工作条件下，此时系统的开通损耗很小，其中Q的计算式为：
Figure BDA0002345101330000063
在步骤S3中，若根据步骤S2设计得到的元件参数无法使E类开关管工作在ZVS的工作条件时，可以先减小开关管并联电容的电容值C0，这可以加快开关管并联电容的放电速度；同时增大原边补偿电容的电容值C1，可以抑制原边补偿电容由于放电过快导致给开关管并联电容进行二次充电的问题。
按照以上设计步骤，这里给出一种实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计样例，已知直流输入电压Vdc＝18V，系统的工作频率即开关频率fc＝300kHz，占空比D＝0.5，无线电能传输系统的负载RL＝30Ω，发射线圈的自感为L1＝24uH，接收线圈的自感为L2＝24uH，输入扼流电感Ldc＝330uH，副边补偿电容C2＝11.8nF，线圈间的互感M＝4.2nF。根据所提出的一种实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法可以得到其它的参数值：
a、开关管并联电容C0＝46.5nF
b、原边补偿电容C1＝12.48nF
此时使用电路仿真软件观察E类开关管S1两端电压的仿真波形，如图2所示，可以观察到此时E类开关管S1并不满足零电压开通ZVS条件。
减小开关管并联电容C0的电容值，使得C0＝35.0nF，使用电路仿真软件观察E类开关管S1两端电压的仿真波形，如图3所示，可以观察到E类开关管S1两端电压在下降到0之后，电容又重新进行了短暂的充电，这主要是由于原边补偿电容太小使其放电过快导致的，因此需要适当增大原边补偿电容的电容值。同时我们观察到开关管并联电容C0的减小使得E类开关管S1两端电压峰值显著提高，这对于E类开关管S1正常工作是不利的。
增大原边谐振电容的电容值，使得C1＝14.0nF，对系统进行仿真验证，此时E类开关管S1两端电压如图4所示，可以观察到E类开关管S1已经能够正常实现ZVS，同时E类开关管S1两端电压峰值相比于未调整前有了明显的减小，这有利于降低E类开关管S1的电压应力。
由上述设计案例可知，若系统工作在非最佳负载阻抗的工况下，根据Raab条件设计得到的电容值可能无法使得E类开关管S1实现ZVS，此时就需要对开关管并联电容以及原边补偿电容的参数进行微调整。在上述的仿真案例中，先通过减小开关管并联电容的电容值以加快其放电速度，针对开关管并联电容可能出现的反向回流充电问题，适当地增大原边补偿电容就可以很好地解决这一问题，并将E类开关管S1两端的电压峰值维持在较为安全的范围内。
上述案例设计结果表明本发明所提出的一种实现无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法能够达到预期目的，使得E类开关管工作在ZVS的工作条件下，这有利于减小开关管的开通损耗，具有实际应用价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，所述E类逆变器包括直流输入电压源、输入扼流电感、E类开关管、开关管并联电容、原边补偿电容、原边线圈、副边线圈、副边补偿电容和负载电阻，所述直流输入电压源的正极与输入扼流电感相连，所述E类开关管的一端与输入扼流电感相连，另一端与直流电压源的负极相连，所述开关管并联电容两端分别与E类开关管的两端连接，所述原边补偿电容的一端分别与输入扼流电感和E类开关管连接，另一端与原边线圈相连，所述原边线圈和副边线圈通过线圈间的互感形成电磁耦合，所述副边线圈的一端与副边补偿电容一端相连，其另一端与负载电阻一端相连，所述副边补偿电容的另一端与负载电阻另一端相连；其特征在于，所述参数设计方法包括以下步骤：
S1、先利用互感模型将接收侧阻抗折算成原边负载等效阻抗，其计算过程如下：
设定副边线圈的自感值L2和副边补偿电容的电容值C2处于完全谐振状态，此时接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻的电阻值Req相等，则有Zeq＝Req成立；
设定线圈间的互感为M，系统的角频率为ω，其中ω＝2πfc，fc为E类开关管的工作频率，则接收侧折算到原边的负载等效阻抗Z＇eq为：
Figure FDA0002882000910000011
S2、根据Raab条件计算出E类逆变器的开关管并联电容的电容值、原边补偿电容的电容值以及输入扼流电感的最小值，其计算过程如下：
根据Raab条件求得原边补偿电容的电容值C1为：
Figure FDA0002882000910000012
其中，L1为原边线圈的自感，θ为最佳阻抗角；
根据Raab条件求得开关管并联电容的电容值C0为：
Figure FDA0002882000910000021
根据Raab条件求得输入扼流电感的自感值Ldc应满足：
Figure FDA0002882000910000022
S3、使用电路仿真软件观察系统中E类开关管两端的电压波形是否实现软开关开通ZVS，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则进行如下步骤：
S31、先减小开关管并联电容的电容值C0；
S32、再增大原边补偿电容的电容值C1；
S33、观察此时系统中E类开关管两端电压波形是否实现软开关开通，如果满足软开关开通则设计流程结束，否则重复步骤S31-S33；
若根据步骤S2设计得到的元件参数无法使E类开关管工作在ZVS的工作条件时，需先减小开关管并联电容的电容值C0，这能够加快开关管并联电容的放电速度；同时增大原边补偿电容的电容值C1，能够抑制原边补偿电容由于放电过快导致给开关管并联电容进行二次充电的问题。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，其特征在于：在步骤S1中，接收侧应采用串联谐振RLC结构，此时只要满足
Figure FDA0002882000910000023
就能够实现接收侧等效阻抗Zeq与负载电阻Req相等。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统E类逆变器ZVS工作的参数设计方法，其特征在于：在步骤S2中，当负载等效阻抗Z＇eq、原边补偿电容与原边线圈自感组成的RLC串联支路的品质因素Q为5-20时，根据Raab条件计算得到的元件电气参数能够使得E类开关管工作在ZVS的工作条件下，此时系统的开通损耗小，其中Q的计算式为：
Figure FDA0002882000910000031
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